WO2016092001A1 - Elektrische energiespeicherzelle, elektrischer energiespeicher und kraftfahrzeug - Google Patents

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • Electrical energy storage cell electrical energy storage and
  • the invention relates to an electrical energy storage cell with a plurality of cell layers, wherein at least two cell layers with their electrodes electrically conductively coupled contact elements and at least one connection between the at least two cell layers is realized by means of at least one splice of an electrically conductive adhesive to the contact elements.
  • electrical energy storage cells Due to advancing development efforts, electrical energy storage cells have become relevant for use in high-energy applications, for example as a traction battery in motor vehicles or as stationary energy storage. It is known to construct such electrical energy storage cells from a plurality of cell layers, that is, individual electrochemical elements. To set a custom capacity and / or output voltage several cell layers are electrically connected together. These compounds can be designed as a parallel or series connection of the individual cell layers. To realize this connection, cell layers expediently have contact elements which are electrically conductively coupled to the positive or negative electrode of the cell layer. The joining of these contact elements is often made by welding or soldering, but it is also known to produce compounds by an electrically conductive adhesive.
  • CID is limited in its ability to prevent excessive heat generation due to an internal short circuit.
  • Internal short circuits occur when a single cell layer is so defective that it itself forms an electrically conductive connection between its electrodes. This in turn triggers a short circuit of cell layers connected in parallel, since a current can flow between the other cell layers as a result of the defective cell layer.
  • a CID can not effectively protect against such an error.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a contrast improved electrical energy storage cell.
  • an electrical energy storage cell of the type mentioned that the at least one connection realized by means of the splice is interrupted when an adhesive-specific temperature limit is exceeded in the splice.
  • the invention is based on the idea to achieve protection against external and internal short circuits by a constructive change in the connection between the at least two cell layers.
  • the Bonding adhesive realized with an electrically conductive adhesive which has an adhesive-specific temperature limit, when exceeded, the electrical conductivity of the adhesive is lost. This is typically to be understood in practice as a reduction of the electrical conductivity by at least a factor of 1000, as a result of which the realized connection in the splice can be regarded as interrupted within the scope of the customary application.
  • the electric energy storage cell according to the invention also provides protection against external short circuits, since a comparable with the error case described above heat input into the splice in case of malfunction of the external Bescellens the electrical energy storage cell also occurs.
  • effective protection of the electrical energy storage cell from internal and external short circuits is achieved without involving significant weight increases in the electrical energy storage cell.
  • the adhesive-specific temperature limit value is greater than a maximum permissible operating temperature of the splice.
  • electrical operating parameters in particular the current intensity, for which the electrical energy storage cell is designed in the respective application is not exceeded.
  • design according briefly higher currents through the splice does not yet achieve this maximum temperature, thus an adapted inertial behavior of the electrical energy storage cell can be selected.
  • suitable adhesive-specific limit values is explained in more detail below.
  • the adhesive-specific temperature limit value is selected such that it is exceeded in a short-circuit-related fault of the electrical energy storage cell, in particular an internal short circuit of a cell layer.
  • An important factor in choosing the adhesive-specific temperature limit is thus the design-specific thermal load as a result of a short circuit.
  • the external circuitry of the electrical energy storage cell plays a decisive role, so that temperatures which occur in the case of internal and external short circuits and indicate such an error case are to be selected empirically on the basis of the specific application.
  • the adhesive comprises electrically conductive particles which form an electrically conductive network in a cured state of the adhesive, wherein the network is dissolved when the adhesive-specific temperature limit is exceeded.
  • electrically conductive adhesives are designed to comprise electrically conductive particles in a curable carrier. These electrically conductive particles are typically made of silver or copper, but there are also known embodiments of gold, palladium, nickel, platinum or carbon. Suitable excipients are, in particular, resins of epoxide, polyimide, acrylate or polyester. The proportion of electrically conductive particles in such a carrier typically comprises 25 to 70 percent by weight, in particular 30 to 55 percent by weight.
  • the hardening of the carrier creates an electrically conductive network between the electrically conductive particles, which is typically characterized arises when the transition of the adhesive in the cured state, a volume reduction occurs, which adds the particles together so that the line of electrical current is possible.
  • the adhesive thus has such a nature that this network is dissolved when the adhesive-specific temperature limit is exceeded.
  • eligible carriers cure at temperatures of 1 10 ° C to 150 ° C and have a temperature resistance in a range of 150 ° C to 180 ° C, in the case of special high temperature adhesives also up to 280 ° C, on.
  • the adhesive-specific temperature limit is to be chosen so beyond the range of temperature resistance.
  • a temperature limit of 190 ° C to 250 ° C preferably between 195 ° C and 210 ° C into consideration. Enables the entire electrical energy storage cell error-free operation at even higher temperatures, it can be used on high temperature adhesives, especially based on polyimide, which are temporarily temperature resistant up to 400 ° C.
  • the embodiment offers the possibility to realize the short-circuit protection tailored to the specific application of the electrical energy storage cell, which extends the application area to large parts of the battery technology.
  • the adhesive comprises, at least in the area of the adhesives, a propellant which is such that it expands when the adhesive-specific temperature limit is exceeded in the adhesion such that the electrical connection is interrupted.
  • a propellant which is such that it expands when the adhesive-specific temperature limit is exceeded in the adhesion such that the electrical connection is interrupted.
  • propellants have the property above a certain temperature to expand their volume many times. This effect is utilized in this embodiment in order to drive away the electrically conductive adhesive from the contact elements when the expansion temperature of the blowing agent is exceeded, in particular to accelerate the dissolution of the possibly present network of electrically conductive particles.
  • azodicarbonamide-containing blowing agents which can be designed for an expansion temperature between 100 ° C. and 250 ° C. are suitable.
  • the exact design of the propellant Tels is in close interaction with the thermal stability of the adhesive used. It is conceivable that an adhesive-specific temperature limit results from the admixture of a blowing agent, which is far beyond the temperature resistance of the carrier. However, it is also conceivable to allow the propellant to expand already at lower temperatures, for example if it is known that the forces resulting from the expansion are strong enough to force the splice apart.
  • contact elements which are connected to one another are arranged in a stack.
  • This known as sandwich design arrangement to be connected contact elements is particularly suitable for automated manufacturing processes and thus allows a time and cost-saving implementation of electrical energy storage cells according to the invention.
  • the electrical energy storage cell is designed as a pouch cell.
  • the invention shows its advantages because pouch cells usually can not be secured against short circuits with a CID.
  • Such Pouchzellen typically have contact elements in the form of Ableitfahen that are automatically connected by conventional joining methods. The use of conductive adhesives can thus be easily integrated into the manufacturing process of pouch cells.
  • This connection of precisely two contact elements comprises, in particular, the realization of splices by punctiformly applied quantities of adhesive.
  • This embodiment is particularly suitable for stacked contact elements into consideration, in which each two adjacent contact elements are connected by a bonding point.
  • three or more contact elements are connected by at least one splice.
  • This embodiment provides in particular large-area and / or space-comprehensive connections of several contact elements by a larger amount of adhesive.
  • stack-like arrangement of contact elements not to connect the contact elements in layers, but to connect a batch-like application by a larger amount of electrically conductive adhesive together.
  • a further alternative embodiment of the invention provides that one or more contact elements are connected to an electrically conductive guide body by at least one splice.
  • a guide body can for example be designed as a Rangiermann made of copper or other suitable electrically conductive metal and convey the electrically conductive connection of a plurality of contact elements.
  • the adhesive point can selectively connect individual contact elements with the conductor body or connect a plurality of contact elements in a bonding with the conductor body.
  • a free end of one or more contact elements contacting the splice is formed into a heat transfer section.
  • This free end is typically an end portion of a contact element opposite the connection to the electrode of the cell layer.
  • This embodiment can be further developed in that the heat transfer section is wave-shaped, helical, zigzag-shaped or helical. This embodiment is based on the principle to achieve an accelerated heat input through an enlarged contact surface between the heat transfer section and the splice.
  • the heat transfer section can also be such that it has a larger base area compared to the remaining part of the contact element.
  • the invention relates to an electrical energy storage, which at least summarizes an electrical energy storage cell according to the invention. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle, which comprises at least one electrical energy storage device according to the invention. All versions of the electrical energy storage cell can be analogously transferred to the electrical energy storage and the motor vehicle, so that even with these already mentioned advantages can be achieved.
  • FIG. 1 to 3 schematic diagrams of an electrical according to the invention
  • Fig. 7 to 1 1 contact elements with differently designed
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a motor vehicle according to the invention with an energy storage device according to the invention.
  • FIG. 1 shows an error-free, operational state in which each cell layer 2 emits an operating current 5. If an internal short circuit 6 occurs in a defective cell layer 9 from this state, the state shown in FIG. 2 results. The internal short circuit 6 causes an increased heat input into the splice 4. In this cell layers 2 also give off a short-circuit current 7, which adds up to a summation current 8 through the defective cell layer 9. The splice 4 is now such that an adhesive-specific temperature limit of an adhesive forming it is exceeded by the heat input. In Fig. 3 it is shown that in this case the not more shown splice 4 interrupts at least the connection with the defective cell layer 9.
  • Figures 4 to 6 are respectively schematic diagrams of four connected by splice 4 contact elements 3.
  • Fig. 4 an embodiment is shown in a longitudinal section, in which two of the contact elements 3 are connected by a point-shaped adhesive joint 4.
  • FIG. 5 Another embodiment is shown in FIG. 5 in a longitudinal section, in which the four contact elements 3 are connected by a single splice 4.
  • FIG. 6 a plan view of a conductor body 10 is shown in FIG. 6, on which four contact elements 3 by means of a respective splice 4 electrically conductive are connected.
  • the conductor body 10 is made of an electrically conductive metal, such as copper.
  • FIG. 7 to 1 1 each show a contact element 3, whose free end is formed to a heat transfer section 1 1, wherein in Figs. 7 to 10 are side views and Fig. 1 1 is a plan view.
  • the heat transfer portion 1 1 is formed like a wave to bring a larger surface area associated with the adhesive.
  • Fig. 8 follows the same purpose by a helical configuration of the same heat transfer section 1 1.
  • FIG. 9 shows an embodiment similar to FIG. 8, but here the heat transfer section 11 is designed in a zigzag shape.
  • a heat transfer section 1 1 is shown in Fig. 10, which has experienced by a rotation of the longitudinal axis of the contact element 3 a helical design.
  • Fig. 10 shows a contact element 3, whose free end is formed to a heat transfer section 1 1, wherein in Figs. 7 to 10 are side views and Fig. 1 1 1 is a plan view.
  • the heat transfer portion 1 1 is formed like a wave to bring a larger surface area associated with the adhesive.
  • FIG. 1 1 shows a plan view of a contact element 3 with a plate-like design of a heat transfer section 1 1, through which the base of the heat transfer section 1 1 is wider than that of the contact element 3. All shown in Figs. 7 to 1 1 embodiments allow an improved Transfer of heat into a respective splice 4, when the heat transfer sections 1 1 are arranged according to each other and in the splice 4.
  • FIG. 12 shows a schematic diagram of a motor vehicle 12 according to the invention with an electrical energy store 14 according to the invention.
  • This has three electrical energy storage cells 1 and is arranged here by way of example in the rear area of the motor vehicle 12. He serves here as an energy source for an electric motor drive 13, which is indicated in the present case in the engine compartment of the motor vehicle 12.

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Abstract

Elektrische Energiespeicherzelle (1) mit mehreren Zelllagen (2, 9), wobei wenigstens zwei Zelllagen (2, 9) mit ihren Elektroden elektrisch leitfähig gekoppelte Kontaktelemente (3) aufweisen und wenigstens eine Verbindung zwischen den wenigstens zwei Zelllagen (2, 9) mittels wenigstens einer Klebestelle (4) aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff an den Kontaktelementen (3) realisiert ist, wobei die wenigstens eine mittels der Klebestelle (4) realisierte Verbindung beim Überschreiten eines klebstoffspezifischen Temperaturgrenzwerts in der Klebestelle (4) unterbrochen ist.

Description

Elektrische Energiespeicherzelle, elektrischer Energiespeicher und
Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeicherzelle mit mehreren Zelllagen, wobei wenigstens zwei Zelllagen mit ihren Elektroden elektrisch leitfähig gekoppelte Kontaktelemente aufweisen und wenigstens eine Verbindung zwischen den wenigstens zwei Zelllagen mittels wenigstens einer Klebestelle aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff an den Kontaktelementen realisiert ist.
Durch fortschreitende Entwicklungsbemühungen sind elektrische Energiespeicherzellen mittlerweile relevant für den Einsatz in Hochenergieanwendungen, beispielsweise als Traktionsbatterie in Kraftfahrzeugen oder als stationäre Energiespeicher, geworden. Es ist bekannt, solche elektrischen Energiespeicherzellen aus mehreren Zelllagen, also einzelnen elektrochemischen Elementen, aufzubauen. Zur Einstellung einer anwendungsgemäßen Kapazität und/oder Ausgangsspannung werden mehrere Zelllagen elektrisch miteinander verbunden. Diese Verbindungen können dabei als Parallel- bzw. Reihenschaltung der einzelnen Zelllagen ausgeführt sein. Zur Realisierung dieser Verbindung weisen Zelllagen zweckmäßigerweise Kontaktelemente auf, welche mit der positiven bzw. negativen Elektrode der Zelllage elektrisch leitfähig gekoppelt sind. Das Zusammenfügen dieser Kontaktelemente wird oft über Schweiß- oder Lötverfahren vorgenommen, es ist aber auch bekannt, Verbindungen durch einen elektrisch leitfähigen Klebstoff herzustellen. Es ergibt sich dann eine die Kontaktelemente, welche üblicherweise als Ableitfahnen ausgeführt sind, verbindende Klebestelle. Besonders für den Einsatz von elektrischen Energiespeicherzellen in Kraftfahrzeugen ist es erforderlich, einen Kurzschlussschutz vorzusehen, um eine übermäßige Erwärmung der elektrischen Energiespeicherzelle bis hin zum Brand in einem kurzschlussbedingten Fehlerfall auszuschließen. Es ist dazu bekannt, die elektnschen Energiespeicherzellen mit einem sogenannten Current Interrupt Device (CID) zu erweitern. Diese sind dazu bestimmt im Fall eines fehlerbedingten Temperaturanstiegs in der elektrischen Energiespeicherzelle, die Zelllagen von der äußeren Beschaltung der elektrischen Energiespeicherzelle zu trennen. Dadurch wird ein wirksamer Schutz gegen externe Kurzschlüsse, also solche, welche auf einen Kurzschluss in der äußeren Beschaltung der elektrischen Energiespeicherzelle zurückzuführen sind, erzielt. Ein solches CID ist allerdings nur beschränkt in der Lage eine übermäßige Wärmeentwicklung infolge eines internen Kurzschlusses zu verhindern. Interne Kurzschlüsse entstehen, wenn eine einzelne Zelllage derart defekt ist, dass sie selber zwischen ihren Elektroden eine elektrisch leitfähige Verbindung bildet. Dadurch wird wiederum ein Kurzschluss parallel geschalteter Zelllagen ausgelöst, da durch die defekte Zelllage ein Strom zwischen den weiteren Zelllagen fließen kann. Ein CID kann gegen einen solchen Fehler nicht wirksam schützen. Ferner ist ein CID in verschiedenen Bauformen von elektrischen Energiespeicherzellen, wie beispielsweise Pouchzellen, konstruktionsbedingt nicht verwendbar. Ein ferner vorgeschlagener Schutz gegen die Erwärmung infolge eines internen Kurzschlusses durch massive Einhausungen scheidet wegen des hohen Gewichts solcher elektrischer Energiespeicherzellen aus.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte elektrische Energiespeicherzelle anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektrischen Energiespeicherzelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die wenigstens eine mittels der Klebestelle realisierte Verbindung beim Überschreiten eines klebstoffspezifischen Temperaturgrenzwerts in der Klebestelle unterbrochen ist.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, einen Schutz vor externen und internen Kurzschlüssen durch eine konstruktive Änderung der Verbindung zwischen den wenigstens zwei Zelllagen zu erzielen. Dazu wird die die Ver- bindung realisierende Klebestelle mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff ausgebildet, welcher einen klebstoffspezifischen Temperaturgrenzwert aufweist, bei dessen Überschreiten die elektrische Leitfähigkeit des Klebstoffs verloren geht. Darunter ist in der Praxis typischerweise eine Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit um mindestens den Faktor 1000 zu verstehen, wodurch die realisierte Verbindung in der Klebestelle im Rahmen der üblichen anwendungsgemäßen Auslegung als unterbrochen angesehen werden kann.
Diese Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass zu ihrer Realisierung keine Sonderbauteile, wie CID, eingesetzt werden müssen. Ein Schutz vor internen Kurzschlüssen wird dadurch erreicht, dass beim Unterbrechen der Verbindung in der Klebestelle die defekte Zelllage selbst von den weiteren Zelllagen getrennt ist. Die notwendige Wärmeentwicklung, um den klebstoffspezifischen Temperaturgrenzwert zu überschreiten, ergibt sich daraus, dass im Falle eines internen Kurzschlusses eine hohe Wärmeentwicklung in dem Kontaktelement entsteht. Ferner fließt für eine kurze Zeit der Strom der weiteren Zelllagen durch die Klebestelle, wodurch sich ein zusätzlicher Wärmeeintrag ergibt. Ist der klebstoffspezifische Temperaturgrenzwert überschritten, so findet eine Trennung der defekten Zelllage von der oder den weiteren Zelllagen statt. Es kann somit kein Strom mehr durch die defekte Zelllage fließen und die kurzschlussbedingte thermische Belastung der elektrischen Energiespeicherzelle ist beendet. Daneben bietet die erfindungsgemäße elektrische Energiespeicherzelle auch einen Schutz gegen externe Kurzschlüsse, da ein mit dem zuvor beschriebenen Fehlerfall vergleichbarer Wärmeeintrag in die Klebestelle bei einer Fehlfunktion der äußeren Beschal- tung der elektrischen Energiespeicherzelle auch auftritt. Somit wird ein wirksamer Schutz der elektrischen Energiespeicherzelle vor internen und externen Kurzschlüssen erreicht, ohne signifikante Gewichtserhöhungen der elektrischen Energiespeicherzelle mit sich zu ziehen.
Zweckmäßigerweise ist vorzusehen, dass der klebstoffspezifische Temperaturgrenzwert größer als eine betriebsübliche zulässige Höchsttemperatur der Klebestelle ist. Betriebsüblich zulässig sind dabei alle Zustände der elektri- sehen Energiespeicherzelle, bei denen elektrische Betriebsparameter, insbesondere die Stromstärke, für welche die elektrische Energiespeicherzelle in der jeweiligen Anwendung ausgelegt ist, nicht überschritten wird. Dabei ist zu beachten, dass auch auslegungsgemäße kurzzeitig höhere Ströme durch die Klebestelle noch nicht das Erreichen dieser Höchsttemperatur bewirken, mithin ein angepasstes Trägheitsverhalten der elektrischen Energiespeicherzelle gewählt werden kann. Die Wahl geeigneter klebstoffspezifischer Grenzwerte wird im Folgenden näher erläutert.
Es ist zweckmäßig, dass der klebstoffspezifische Temperaturgrenzwert so gewählt ist, dass dieser in einem kurzschlussbedingten Fehlerfall der elektrischen Energiespeicherzelle, insbesondere einem internen Kurzschluss einer Zelllage, überschritten ist. Ein wichtiger Faktor zur Wahl des klebstoffspezifischen Temperaturgrenzwerts ist damit auch die konstruktionsspezifische thermische Belastung infolge eines Kurzschlusses. Hierbei spielt besonders die äußere Beschaltung der elektrischen Energiespeicherzelle eine entscheidende Rolle, so dass bei internen wie externen Kurzschlüssen auftretende, einen solchen Fehlerfall indizierende Temperaturen empirisch anhand der konkreten Anwendung zu wählen sind.
Insgesamt ist es zweckmäßig, wenn der Klebstoff elektrisch leitfähige Partikel umfasst, welche in einem ausgehärteten Zustand des Klebstoffs ein elektrisch leitfähiges Netzwerk bilden, wobei das Netzwerk beim Überschreiten des klebstoffspezifischen Temperaturgrenzwertes aufgelöst ist. Typischerweise sind elektrisch leitfähige Klebstoffe so beschaffen, dass sie elektrisch leitfähige Partikel in einem aushärtbaren Trägerstoff umfassen. Diesen elektrisch leitfähigen Partikel bestehen typischer aus Silber oder Kupfer, es sind aber auch Ausführungsformen aus Gold, Palladium, Nickel, Platin oder Carbon bekannt. Als Trägerstoffe kommen insbesondere Harze aus Epoxid, Polyimid, Acrylat oder Polyester in Betracht. Der Anteil elektrisch leitfähiger Partikel in einem solchen Trägerstoff umfasst typischerweise 25 bis 70 Gewichtsprozent, insbesondere 30 bis 55 Gewichtsprozent. Durch das Aushärten des Trägerstoffs entsteht ein elektrisch leitfähiges Netzwerk zwischen den elektrisch leitfähigen Partikeln, welches typischerweise dadurch entsteht, dass beim Übergang des Klebstoffs in den ausgehärteten Zustand eine Volumenreduktion eintritt, welche die Partikel so aneinander fügt, dass die Leitung elektrischen Stroms möglich ist. Der Klebstoff hat also eine solche Beschaffenheit, dass dieses Netzwerk beim Überschreiten des klebstoffspezifischen Temperaturgrenzwerts aufgelöst wird. Üblicherweise härten in Betracht kommende Trägerstoffe bei Temperaturen von 1 10 °C bis 150 °C aus und weisen eine Temperaturbeständigkeit in einem Bereich von 150 °C bis 180 °C, im Falle von speziellen Hochtemperaturklebstoffen auch bis zu 280 °C, auf. Somit ist der klebstoffspezifische Temperaturgrenzwert also jenseits des genannten Bereichs der Temperaturbeständigkeit zu wählen. Typischerweise kommt ein Temperaturgrenzwert von 190 °C bis 250 °C, vorzugsweise zwischen 195 °C und 210 °C in Betracht. Ermöglicht die gesamte elektrische Energiespeicherzelle einen fehlerfreien Betrieb bei noch höheren Temperaturen, so kann auf Hochtemperaturklebstoffe, insbesondere auf Basis von Polyimid, zurückgegriffen werden, welche kurzzeitig bis zu 400 °C temperaturbeständig sind. Somit bietet die Ausführungsvariante die Möglichkeit, den Kurzschlussschutz zugeschnitten auf die konkrete Anwendung der elektrischen Energiespeicherzelle zu realisieren, was den Einsatzbereich auf weite Teile der Batterietechnik erweitert.
Um ein beschleunigtes Unterbrechen der Verbindung zwischen Zelllagen zu erreichen, kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass der Klebstoff zumindest im Bereich der Klebstoffe ein Treibmittel umfasst, welches so beschaffen ist, dass es beim Überschreiten des klebstoffspezifischen Temperaturgrenzwerts in der Klebstelle derart expandiert, dass die elektrische Verbindung unterbrochen ist. Solche Treibmittel haben die Eigenschaft oberhalb einer bestimmten Temperatur ihr Volumen um ein Vielfaches auszudehnen. Dieser Effekt wird in dieser Ausführungsform genutzt, um den elektrisch leitfähigen Klebstoff beim Überschreiten der Expansionstemperatur des Treibmittels von den Kontaktelementen wegzutreiben, insbesondere das gegebenenfalls vorhandene Netzwerk elektrisch leitfähiger Partikel beschleunigt aufzulösen. In Betracht kommen dabei insbesondere Azodicarbonamid umfassende Treibmittel, welche auf eine Expansionstemperatur zwischen 100 °C und 250 °C ausgelegt sein können. Die genaue Auslegung des Treibmit- tels steht dabei in enger Wechselwirkung zu der thermischen Stabilität des verwendeten Klebstoffs. Es ist dabei denkbar, dass sich ein klebstoffspezifischer Temperaturgrenzwert durch die Beimengung eines Treibmittels ergibt, welcher erst weit jenseits der Temperaturbeständigkeit des Trägerstoffs liegt. Es ist aber auch denkbar, das Treibmittel bereits bei niedrigeren Temperaturen expandieren zu lassen, beispielsweise wenn bekannt ist, dass die aus der Expansion resultierenden Kräfte stark genug sind, um die Klebestelle auseinander zu treiben.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist bei einer erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherzelle vorgesehen, dass miteinander in Verbindung stehende Kontaktelemente stapelartig angeordnet sind. Diese auch als Sandwichbauform bekannte Anordnung zu verbindender Kontaktelemente eignet sich besonders für automatisierte Fertigungsverfahren und ermöglicht so eine zeit- und kostensparende Realisierung erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicherzellen.
Bevorzugt ist es auch, dass die elektrische Energiespeicherzelle als Pouchzelle ausgebildet ist. Besonders hier zeigt die Erfindung ihre Vorteile, weil Pouchzellen üblicherweise nicht mit einem CID gegen Kurzschlüsse gesichert werden können. Solche Pouchzellen weisen typischerweise Kontaktelemente in Form von Ableitfahnen auf, die durch herkömmliche Fügungsverfahren automatisiert miteinander verbunden werden. Der Einsatz leitfähiger Klebstoffe kann somit einfach in den Fertigungsprozess von Pouchzellen integriert werden.
Es ist denkbar, dass durch wenigstens eine Klebstelle zwei Kontaktelemente miteinander verbunden sind. Diese Verbindung genau zweier Kontaktelemente umfasst insbesondere die Realisierung von Klebstellen durch punktförmig aufgebrachte Mengen an Klebstoff. Diese Ausführungsform kommt insbesondere bei stapelartig ausgebildeten Kontaktelementen in Betracht, bei welchen jeweils zwei benachbarte Kontaktelemente durch eine Klebstelle in Verbindung stehen. Alternativ ist auch denkbar, dass durch wenigstens eine Klebestelle drei oder mehr Kontaktelemente verbunden sind. Diese Ausführungsform sieht insbesondere großflächige und/oder raumfassende Verbindungen mehrerer Kontaktelemente durch eine größere Menge Klebstoff vor. So ist es auch bei stapelartiger Anordnung von Kontaktelementen denkbar, die Kontaktelemente nicht schichtweise zu verbinden, sondern eine stapelartige Anwendung durch eine größere Menge elektrisch leitfähigen Klebstoffs insgesamt miteinander zu verbinden.
Daneben sieht eine weitere alternative Ausführung der Erfindung vor, dass durch wenigstens eine Klebestelle eine oder mehrere Kontaktelemente mit einem elektrisch leitfähigen Leitkörper verbunden sind. Ein solcher Leitkörper kann beispielsweise als Rangierleiste aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Metall ausgestaltet sein und die elektrisch leitfähige Verbindung mehrerer Kontaktelemente vermitteln. Auch hier kann die Klebstelle einzelne Kontaktelemente punktuell mit dem Leiterkörper verbinden oder in einer Klebstelle mehrere Kontaktelemente mit dem Leiterkörper verbinden. Diese und die beiden zuvor genannten Ausführungsformen können insgesamt in beliebiger Kombination innerhalb einer elektrischen Energiespeicherzelle zum Einsatz kommen. Dadurch eignet sich die Erfindung für verschiedenste Bauformen von elektrischen Energiespeicherzellen, welche jeweils unterschiedliche Fügungsmechanismen der Kontaktelemente erfordern.
Daneben kann auch vorgesehen sein, dass ein die Klebestelle berührendes freies Ende eines oder mehrerer Kontaktelemente zu einem Wärmeübertragungsabschnitt ausgebildet ist. Dieses freie Ende ist typischerweise ein der Verbindung zur Elektrode der Zelllage entgegengesetzter Endabschnitt eines Kontaktelements. Um einen verbesserten Wärmeeintrag in die Klebestelle zu ermöglichen, erweist es sich als vorteilhaft, dieses freie Ende zu einem Wärmeübertragungsabschnitt auszubilden, welcher insbesondere durch seine Geometrie einen verbesserten Wärmeeintrag in die Klebestelle ermöglicht. Insbesondere lässt sich durch derartige konstruktive Maßnahmen das Trägheitsverhalten des Kurzschlussschutzes steuern. Neben geometrischen Modifikationen sind aber auch weitere Möglichkeiten zur verbesserten Wärmeübertragung denkbar, wie z. B. entsprechende Oberflächenbearbeitungsverfahren.
Diese Ausführungsform kann dadurch weitergebildet sein, dass der Wärme- übertragungsabschnitt wellenförmig, wendeiförmig, zickzackförmig oder schraubenförmig ausgebildet ist. Diese Ausbildungsform gründet auf dem Prinzip, durch eine vergrößerte Kontaktoberfläche zwischen dem Wärmeübertragungsabschnitt und der Klebestelle einen beschleunigten Wärmeeintrag zu erzielen.
Alternativ kann der Wärmeübertragungsabschnitt auch so beschaffen sein, dass er eine im Vergleich zum übrigen Teil des Kontaktelements größere Grundfläche aufweist. Hierbei ist insbesondere daran zu denken, den Wärmeübertragungsabschnitt plättchenförmig auszubilden, um die zuvor genannten Vorteile auch ohne eine das freie Ende biegende Ausformung zu erreichen.
Daneben betrifft die Erfindung einen elektrischen Energiespeicher, welcher wenigstens eine erfindungsgemäße elektrische Energiespeicherzelle um- fasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches wenigstens einen erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher umfasst. Sämtliche Ausführungen zur elektrischen Energiespeicherzelle lassen sich analog auf den elektrischen Energiespeicher und das Kraftfahrzeug übertragen, so dass auch mit diesen die bereits genannten Vorteile erzielt werden können.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 bis 3 Prinzipskizzen einer erfindungsgemäßen elektrischen
Energiespeicherzelle in verschiedenen Betriebszustän- den; Fig. 4 bis 6 Prinzipskizzen unterschiedlicher Ausführungsformen von verbundenen Kontaktelementen;
Fig. 7 bis 1 1 Kontaktelemente mit unterschiedlich ausgebildeten
Wärmeübertragungsabschnitten; und
Fig. 12 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Energiespeicher.
Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils Prinzipskizzen einer elektrischen Energiespeicherzelle 1 mit fünf Zelllagen 2. Jede Elektrode der Zelllagen 2 weist dabei ein Kontaktelement 3 auf. In Fig. 1 und 2 laufen die Kontaktelemente 3 jeder Elektrode zusammen zu jeweils einer Klebestelle 4, welche aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff realisiert ist. In Fig. 1 ist ein fehlerfreier, betriebsüblicher Zustand dargestellt, in welchem jede Zelllage 2 einen Betriebsstrom 5 abgibt. Tritt aus diesem Zustand heraus in einer defekten Zelllage 9 ein interner Kurzschluss 6 auf, so ergibt sich der in Fig. 2 gezeigte Zustand. Durch den internen Kurzschluss 6 wird ein erhöhter Wärmeeintrag in die Klebestelle 4 verursacht. In diesem geben die Zelllagen 2 auch einen Kurzschlussstrom 7 ab, welcher sich zu einem Summenstrom 8 durch die defekte Zelllage 9 addiert. Die Klebestelle 4 ist nun so beschaffen, dass ein klebstoffspezifischer Temperaturgrenzwert eines sie bildenden Klebstoffs durch den Wärmeeintrag überschritten wird. In Fig. 3 ist gezeigt, dass in diesem Fall die nicht mehr abgebildete Klebestelle 4 zumindest die Verbindung mit der defekten Zelllage 9 unterbricht.
Die Figuren 4 bis 6 sind jeweils Prinzipskizzen von vier durch Klebestellen 4 verbundene Kontaktelemente 3. In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt angegeben, in welchem jeweils zwei der Kontaktelemente 3 durch eine punktförmig ausgebildete Klebestelle 4 verbunden sind. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit zeigt Fig. 5 in einem Längsschnitt, in welchem die vier Kontaktelemente 3 durch eine einzige Klebestelle 4 verbunden sind. Schließlich ist in Fig. 6 eine Aufsicht auf einen Leiterkörper 10 gezeigt, an welchem vier Kontaktelemente 3 mittels jeweils einer Klebestelle 4 elektrisch leitfähig verbunden sind. In diesem Beispiel wäre es allerdings genauso denkbar, alle Kontaktelemente 3 durch eine einzige Klebestelle 4 mit dem Leiterkörper 10 zu verbinden. Der Leiterkörper 10 ist dabei aus einem elektrisch leitfähigen Metall, wie Kupfer, ausgebildet.
Die Fig. 7 bis 1 1 zeigen jeweils ein Kontaktelement 3, dessen freies Ende zu einem Wärmeübertragungsabschnitt 1 1 ausgebildet ist, wobei in Fig. 7 bis 10 Seitenansichten und Fig. 1 1 eine Aufsicht abgebildet ist. In Fig. 7 ist der Wärmeübertragungsabschnitt 1 1 wellenartig ausgebildet, um eine größere Oberfläche mit dem Klebstoff in Verbindung zu bringen. Fig. 8 verfolgt den gleichen Zweck durch eine schraubenförmige Ausgestaltung desselben Wärmeübertragungsabschnitts 1 1 . Fig. 9 zeigt eine zu Fig. 8 ähnliche Ausführungsform, jedoch ist der Wärmeübertragungsabschnitt 1 1 hier zickzack- förmig ausgebildet. Daneben ist in Fig. 10 ein Wärmeübertragungsabschnitt 1 1 gezeigt, welcher durch eine Drehung der Längsachse des Kontaktelements 3 eine wendeiförmige Ausführung erfahren hat. Schließlich zeigt Fig. 1 1 eine Aufsicht eines Kontaktelements 3 mit einer plättchenartigen Ausbildung eines Wärmeübertragungsabschnitts 1 1 , durch welchen die Grundfläche des Wärmeübertragungsabschnitts 1 1 breiter ist als jene des Kontaktelements 3. Alle in den Fig. 7 bis 1 1 abgebildeten Ausführungsbeispielen ermöglichen eine verbesserte Übertragung von Wärme in eine jeweilige Klebestelle 4, wenn die Wärmeübertragungsabschnitte 1 1 entsprechend zueinander und in der Klebestelle 4 angeordnet sind.
In Fig. 12 ist schließlich eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugs 12 mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher 14. Dieser weist drei elektrische Energiespeicherzellen 1 auf und ist hier beispielhaft im Heckbereich des Kraftfahrzeugs 12 angeordnet. Er dient hier als Energiequelle für einen elektromotorischen Antrieb 13, welcher vorliegend im Motorraum des Kraftfahrzeugs 12 angedeutet ist.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Elektrische Energiespeicherzelle (1 ) mit mehreren Zelllagen (2, 9), wobei wenigstens zwei Zelllagen (2, 9) mit ihren Elektroden elektrisch leitfähig gekoppelte Kontaktelemente (3) aufweisen und wenigstens eine Verbindung zwischen den wenigstens zwei Zelllagen (2, 9) mittels wenigstens einer Klebestelle (4) aus einem elektrisch leitfähigen Klebstoff an den Kontaktelementen
(3) realisiert ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine mittels der Klebestelle (4) realisierte Verbindung beim Überschreiten eines klebstoffspezifischen Temperaturgrenzwerts in der Klebestelle (4) unterbrochen ist.
Elektrische Energiespeicherzelle nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der klebstoffspezifische Temperaturgrenzwert größer als eine betriebsübliche zulässige Höchsttemperatur der Klebestelle
(4) ist.
Elektrische Energiespeicherzelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der klebstoffspezifische Temperaturgrenzwert so gewählt ist, dass dieser in einem kurzschlussbedingten Fehlerfall der elektrischen Energiespeicherzelle (1 ), insbesondere einem internen Kurzschluss (6) einer Zelllage (2, 9), überschritten ist.
Elektrische Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Klebstoff elektrisch leitfähige Partikel umfasst, welche in einem ausgehärteten Zustand des Klebstoffs ein elektrisch leitfähiges Netzwerk bilden, wobei das Netzwerk beim Überschreiten des klebstoffspezifischen Temperaturgrenzwerts aufgelöst ist.
5. Elektrische Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Klebstoff zumindest im Bereich der Klebestelle (4) ein Treibmittel umfasst, welches so beschaffen ist, dass es beim Überschreiten des klebstoffspezifischen Temperaturgrenzwerts in der Klebestelle (4) derart expandiert, dass die elektrische Verbindung unterbrochen ist.
6. Elektrische Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass miteinander in Verbindung stehende Kontaktelemente (3) stapelartig angeordnet sind.
7. Elektrische Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrische Energiespeicherzelle (1 ) als Pouchzelle ausgebildet ist.
8. Elektrische Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch wenigstens eine Klebestelle (4) zwei Kontaktelemente (3) verbunden sind.
9. Elektrische Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch wenigstens eine Klebestelle (4) drei oder mehr Kontaktelemente (3) verbunden sind.
10. Elektrische Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass durch wenigstens eine Klebestelle (4) eine oder mehrere Kontaktelemente (3) mit einem elektrisch leitfähigen Leiterkörper (10) verbunden sind.
1 1 . Elektrische Energiespeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein die Klebestelle (4) berührendes freies Ende eines oder mehrerer Kontaktelemente (3) zu einem Wärmeübertragungsabschnitt (1 1 ) ausgebildet ist.
12. Elektrische Energiespeicherzelle nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmeübertragungsabschnitt (1 1 ) wellenförmig, wendeiförmig, zickzackförmig oder schraubenförmig ausgebildet ist.
13. Elektrische Energiespeicherzelle nach Anspruch 1 1 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmeübertragungsabschnitt (1 1 ) eine im Vergleich zum übrigen Teil des Kontaktelements (3) größere Grundfläche aufweist.
14. Elektrischer Energiespeicher (14), umfassend wenigstens eine elektrische Energiespeicherzelle (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Kraftfahrzeug (12), umfassend wenigstens einen elektrischen Energiespeicher (14) nach Anspruch 14.
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